Badanie charakterystyk statycznych wybranych sprz gie podatnych

Transkrypt

1 Badanie charakterystyk statycznych wybranych sprz gie podatnych Research of the static characteristics of selected flexible couplings KRZYSZTOF FILIPOWICZ MACIEJ KWAÂNY Streszczenie: Prawid owo dobrane sprz g o podatne do uk adu nap dowego maszyny roboczej powinno t umiç powstajàce w jej nap dzie drgania skr tne. Aby uzyskaç po àdany efekt w praktyce, nale y znaç charakterystyk zastosowanego w tym uk adzie sprz g a podatnego oraz wyznaczone na jej podstawie wspó czynniki: sztywnoêci skr tnej i t umienia. W artykule przedstawiono stanowisko badawcze i metodyk badaƒ charakterystyk statycznych oraz przyk adowe charakterystyki wybranych sprz gie podatnych. S owa kluczowe: uk ad nap dowy, sprz g o podatne, charakterystyka statyczna Abstract: Correctly matched flexible coupling to drive of machines should reduce torsional amplitude of vibrations generated in the drive. To obtain the desired effect, in practical application we must know the characteristics of the flexible coupling, i.e. twisting rigidity and coefficient of damping. This paper describes a test stand and research methodology of static characteristics and sample characteristics of selected flexible couplings have been presented. Keywords: drive system, flexible coupling, static characteristic Dr hab. in. Krzysztof Filipowicz, prof. nzw. w Pol. Âl. Politechnika Âlàska, Wydzia Górnictwa i Geologii, Instytut Mechanizacji Górnictwa, ul. Akademicka 2, Gliwice, krzysztof.filipowicz@polsl.pl; dr in. Maciej KwaÊny Politechnika Âlàska, Wydzia Górnictwa i Geologii, Instytut Mechanizacji Górnictwa, ul. Akademicka 2, Gliwice, maciej.kwasny@polsl.pl. Zastosowanie sprz gie podatnych skr tnie w uk adach nap dowych, obcià onych okresowo zmiennym momentem obrotowym, umo liwia zmniejszenie obcià enia tego nap du dzi ki redukcji przez sprz g o nadwy ek przenoszonego momentu obrotowego. Aby proces ten by mo liwy, sprz g o musi byç poprawnie dobrane do charakteru pracy maszyny roboczej, tzn. musi cechowaç si odpowiednim wspó czynnikiem sztywnoêci i t umienia. Wspó czynniki te powinny byç wyznaczone w badaniach doêwiadczalnych charakterystyk statycznych i dynamicznych [1 7]. PodkreÊliç nale y, e sztywnoêç skr tna sprz g a ma istotny wp yw na cz stotliwoêç drgaƒ w asnych uk adu. Zatem po àdany efekt zmniejszenia amplitudy momentu przekazywanego z cz onu czynnego na cz on bierny sprz g a, a tym samym np. na wa przek adni, uzyskuje si wtedy, gdy dla funkcjonalnie okreêlonego uk adu nap dowego dobrana zostanie odpowiednia charakterystyka sprz g a podatnego [1, 2, 5]. Nale y zwróciç uwag na fakt, e niew aêciwy dobór sprz g a podatnego, ze wzgl du na jego charakterystyk, mo e spowodowaç, e b dzie ono pracowa o w zakresie oko orezonansowym. W stanie tym nawet ma e zaburzenia wymuszeƒ mogà powodowaç du e wzrosty amplitudy drgaƒ, co mo e prowadziç do nadmiernego wzrostu wartoêci momentu obcià enia. Charakterystyka statyczna sprz g a podatnego Charakterystyka statyczna sprz g a podatnego wyra a wzajemnà relacj momentu obrotowego M O oraz wzgl dnego kàta skr cenia ϕ cz onów sprz g a i definiowana jest zale noêcià: M O = f(ϕ) (1) gdzie: M O wartoêç momentu obrotowego, Nm, ϕ wzgl dny kàt skr cenia cz onów sprz g a, rad lub stopnie. Charakterystyka statyczna dla sprz gie podatnych mo e mieç przebieg liniowy lub nieliniowy i mo e cechowaç si t umieniem bàdê jego brakiem. Opisuje ona cechy spr yste i umo liwia wyznaczenie wspó czynnika sztywnoêci skr tnej k sprz gie podatnych: k = dmo, Nm/rad lub Nm/stopieƒ (2) dϕ ROK WYD. LXXIII ZESZYT 9/

2 Sprz g a podatne oprócz cech spr ystych cechuje równie t umienie agodzàce przebieg rozruchu i chwilowych nadwy ek dynamicznych. T umienie przejawia si w postaci histerezowych strat energii podczas odkszta cania si elementu podatnego sprz g a (rys. 1). O wielkoêci rozproszonej energii decyduje praca tarcia wewn trznego w niemetalowym elemencie àcznika lub praca tarcia konstrukcyjnego w metalowych sprz g ach podatnych. Jednà z miar t umienia jest bezwymiarowy wspó czynnik t umienia, który wyznaczany jest w wyniku badaƒ doêwiadczalnych, na podstawie analizy charakterystyki statycznej i powsta ej tzw. p tli histerezy, której powierzchnia jest miarà intensywnoêci t umienia (rys. 1) jednego cyklu drgaƒ uk adu. Wspó czynnik t umienia wyra a si wzorem: = A r (3) A s gdzie: A r praca t umienia podczas jednego cyklu drgaƒ, A s praca odkszta cenia spr ystego podczas jednego cyklu obcià ania. Wspó czynnik sztywnoêci skr tnej k, wspó czynnik t umienia oraz charakterystyka statyczna okreêlajà cechy u ytkowe sprz g a podatnego i sà miarami oceny jakoêci sprz gie. Na rys. 1 pokazano przyk adowe charakterystyki statyczne sprz g a wk adkowego i oponowego, obcià anego znamionowym momentem obrotowym M n dla danego typoszeregu sprz gie podatnych. Przedmiot badaƒ Przedstawione w dalszej cz Êci niniejszego artyku u stanowisko badawcze umo liwi o przeprowadzenie badaƒ, których celem by o wyznaczenie charakterystyk statycznych wybranych rodzajów sprz gie podatnych, a mianowicie: sprz g a jednowk adkowego typu ASR (005 ASR, moment znamionowy M n = 410 Nm) produkcji FENA (rys. 2), a) Rys. 1. Przyk adowe charakterystyki statyczne sprz gie podatnych skr tnie [8] Rys. 2. Sprz g o jednowk adkowe typu ASR produkcji FENA (005 ASR): a) widok ogólny, schemat budowy sprz g a, gdzie: D, D 1, d 1, d 2, d 3, l 1, l 2, f, L katalogowe dane geometryczne sprz g a [9] 32 ROK WYD. LXXIII ZESZYT 9/2014

3 a) a) Rys. 4. Sprz g o przeponowe typu ASM produkcji FENA (003 ASM): a) widok ogólny, schemat budowy sprz g a, gdzie: D, D 1, d 1, d 2, d 3, l 1, l 2, f, L katalogowe dane geometryczne sprz g a [9] Rys. 3. Sprz g o oponowe typu ASO produkcji FENA (080 ASO): a) widok ogólny, budowa sprz g a, gdzie: D, D 1, d 1, d 2, d 3, l 1, l 2, f, L katalogowe dane geometryczne sprz g a [9] sprz g a oponowego typu ASO (080 ASO, moment znamionowy M n = 375 Nm) produkcji FENA (rys. 3), sprz g a przeponowego typu ASM (003 ASM, moment znamionowy M n = 440 Nm) produkcji FENA (rys. 4), sprz g a metalowego podatnego skr tnie (moment znamionowy M n = 410 Nm); zosta o ono zaprojektowane, skonstruowane i zbudowane w Instytucie Mechanizacji Górnictwa Politechniki Âlàskiej w Gliwicach (rys. 5). ROK WYD. LXXIII ZESZYT 9/2014 Wyznaczanie charakterystyk statycznych sprz gie podatnych Widok i schemat budowy stanowiska badawczego przeznaczonego do wyznaczania charakterystyk statycznych sprz gie podatnych skr tnie, które znajduje si w Katedrze Logistyki i Transportu Przemys owego Wydzia u Transportu Politechniki Âlàskiej w Katowicach, pokazano na rys. 6. Rysunek przedstawia widok stanowiska badawczego z za o- onym sprz g em podatnym przeponowym. Stanowisko zamontowano na sztywnej podstawie 1, posadowionej na betonowym fundamencie. Do podstawy 1 przykr cono sta à podpor 2 i podpor obrotowà 3. W podporze sta ej 2, unieruchomionej wzgl dem podstawy 1 za pomocà wsporników 8 i 9, osadzono za pomocà wpustu czop 10, na którym 33

4 a) Rys. 5. Sprz g o metalowe podatne skr tnie [1]: a) widok ogólny, budowa sprz g a, gdzie: 1 wa wejêciowy z gwintem, 2 tuleja przesuwna z gwintem wewn trznym i wielowypustem, 3 obudowa z wielowypustem, 4 zestawy spr yn talerzowych, 5 pokrywa, 6 piasta wyjêciowa, 7, 8 tuleje ustalajàce spr yny, 9 tuleja ustalajàca o ysko, 10 element uszczelniajàcy, 11 o yska sto kowe, 12 pierêcieƒ uszczelniajàcy, 13, 14, 15 elementy po àczenia Êrubowego a) Rys. 6. Stanowisko badawcze do wyznaczania charakterystyk statycznych sprz gie podatnych, a) widok ogólny, schemat budowy stanowiska badawczego, gdzie: 1 podstawa stanowiska, 2 podpora sta a, 3 podpora ruchoma (obrotowa), 4 cz on bierny badanego sprz g a, 5 cz on czynny badanego sprz g a, 6 badane sprz g o podatne skr tnie, 7 wymienny czop podpory ruchomej, 8, 9 wsporniki podpory sta ej, 10 wymienny czop podpory sta ej, 11 dêwignia pomiarowa, 12 szalka, 13 ci arki, 14 skala odczytu kàta, 15 wskaênik laserowy 34 ROK WYD. LXXIII ZESZYT 9/2014

5 mo na zamocowaç jeden z cz onów 4 (tzw. cz on bierny) badanego sprz g a podatnego 6. W podporze obrotowej 3 u o yskowano obrotowo tulej, w której znajduje si wymienny czop 7 z wpustem, na którym mo na zamontowaç drugi cz on 5 (tzw. cz on czynny) badanego sprz g a 6. Cz on czynny 5 sprz g a ma swobod obrotu i mo e byç obcià ony momentem obrotowym M O. Pod dzia aniem tego momentu cz on czynny 5 obraca si wzgl dem nieruchomego cz onu biernego 4 sprz g a o kàt ϕ. W celu pomiaru wzgl dnego kàta obrotu cz onów sprz g a ϕ na ruchomym cz onie 5 sprz g a, w p aszczyênie osi obrotu, zamontowano znacznik laserowy 15 znajdujàcy si w zdefiniowanej odleg oêci (l = 3000 mm) od wycechowanej w jednostkach kàta (stopniach) skali 14. Do zadawania zdefiniowanego momentu obrotowego s u y dwustronna dêwignia pomiarowa 11 o okreêlonej d ugoêci ramienia równej r = 1000 mm, na której koƒcu zamocowane sà szalki 12, s u àce do obcià ania dêwigni zadanym ci arem 13. Metodyka wyznaczania charakterystyki statycznej sprz g a podatnego Badanie charakterystyki statycznej polega na obcià aniu statycznym momentem obrotowym M O badanego sprz g a w sposób dyskretny, ze ÊciÊle zdefiniowanym krokiem, za pomocà dêwigni pomiarowej. Dla ka dego kroku zadanej wartoêci momentu obrotowego M O nast puje odczyt kàta wzgl dnego obrotu ϕ cz onów sprz g a. Po zamontowaniu sprz g a na stanowisku badawczym (rys. 6) i wypoziomowaniu dêwigni 11 nale y w àczyç zasilanie lasera 15. Nast pnie, za pomocà mechanizmu dêwigniowego umieszczonego po obu stronach sprz g a, obcià ane sà szalki 12 ci arkami 13 o znanej (odpowiednio okreêlonej) masie, co powoduje wzgl dny obrót cz onów sprz g a o kàt ϕ. Po ka dorazowym na o eniu kolejnego ci arka na szalk i ustabilizowaniu si ruchu plamki lasera na wycechowanej skali, dokonywany jest bie àcy odczyt kàta obrotu ϕ cz onów sprz g a dla konkretnej wartoêci momentu obrotowego M O. Sprz g o obcià ano w sposób dyskretny a do wartoêci momentu nominalnego +M n sprz g a, tzn. wartoêci katalogowych wg danych producenta. Nast pnie sprz g o by o odcià ane przez zdejmowanie kolejnych ci arków z jednoczesnym, bezpoêrednim odczytem kàta wzgl dnego obrotu cz onów sprz g a. Po osiàgni ciu zerowej wartoêci momentu obrotowego ca y cykl obcià ania by powtarzany, ale przy obcià eniu drugiego ramienia dêwigni, tzn. do wartoêci momentu nominalnego M n sprz g a. W celu uêrednienia otrzymanych wyników przeprowadzono 6 serii pomiarowych, na podstawie których do wykreêlenia charakterystyk wykorzystano wartoêç Êredniej arytmetycznej z tych pomiarów. Na podstawie otrzymanych wyników wykreêlono charakterystyki statyczne badanych sprz gie po- datnych, które umo liwi y wyznaczenie statycznych wspó czynników sztywnoêci i t umienia sprz gie. Wyniki badaƒ Na rys. od 7 do 10 zaprezentowano uzyskane, na podstawie badaƒ doêwiadczalnych, charakterystyki statyczne badanych typów sprz gie podatnych skr tnie. Na podstawie otrzymanych z badaƒ doêwiadczalnych charakterystyk statycznych z histerezà w warunkach obcià enia statycznego wyznaczono wspó czynniki sztywnoêci skr tnej k i t umienia badanych sprz gie podatnych. Wspó czynniki te uj to w tabeli. WartoÊci wspó czynników sztywnoêci skr tnej k i t umienia badanych sprz gie Wspó czynnik Wspó czynnik Sprz g o sztywnoêci skr tnej t umienia, k (wartoêç Êrednia), Nm/ - Metalowe 4,192 0,796 Jednowk adkowe 153,924 1,047 Oponowe 42,281 1,082 Przeponowe 25,923 1,185 Rys. 7. Charakterystyka statyczna sprz g a jednowk adkowego typu 005 ASR Rys. 8. Charakterystyka statyczna sprz g a oponowego typu 080 ASO ROK WYD. LXXIII ZESZYT 9/

6 Rys. 9. Charakterystyka statyczna sprz g a przeponowego typu 003 ASM skr tnie, takich jak np.: jednowk adkowe, wielowk adkowe, oponowe, przeponowe, kab àkowe, metalowe z pakietem spr yn i inne z àcznikami metalowymi lub elastomerowymi. Najwi ksza Êrednica zewn trzna badanego sprz g a mo e wynosiç 500 mm. Otrzymana charakterystyka statyczna z t umieniem mo e byç wykorzystywana do oceny jakoêciowej sprz gie oferowanych przez producentów. Charakterystyk statycznà sprz gie mo na okreêlaç jedynie w wyniku badaƒ doêwiadczalnych. Informacje o sztywnoêci i t umieniu powinny znaleêç si w katalogach producentów obok innych informacji, takich jak: dopuszczalny moment przenoszony przez sprz g o, maksymalna pr dkoêç obrotowa, przy jakiej mo e pracowaç sprz g o itd. Na podstawie uzyskanych wyników badaƒ eksperymentalnych mo na stwierdziç, e charakterystyki statyczne trzech badanych sprz gie podatnych majà przebieg nieliniowy (progresywny) z t umieniem (sprz g a typu ASR, ASO, ASM), natomiast metalowe sprz g o podatne skr tnie ma charakterystyk liniowà z t umieniem. Otrzymane charakterystyki statyczne pos u y y równie do wyznaczenia podstawowych parametrów dynamicznych cechujàcych sprz g o podatne, tj. wspó czynnika sztywnoêci skr tnej k i t umienia. Rys. 10. Charakterystyka statyczna metalowego sprz g a podatnego skr tnie z pakietem spr yn talerzowych Wyznaczone wspó czynniki sztywnoêci skr tnej k i t umienia oraz charakterystyki sprz g a opisujà tylko jego cechy spr yste. Informacje o wp ywie tych charakterystyk na wartoêç obcià enia dzia ajàcego na uk ad nap dowy mo na uzyskaç na podstawie wyników z badaƒ doêwiadczalnych ca ego uk adu z zastosowanym sprz g em podatnym, w czasie których mo na symulowaç rozruchy i prac ustalonà nap du [2 5]. Podsumowanie i wnioski Odpowiedni dobór charakterystyki statycznej, a na jej podstawie sztywnoêci skr tnej i t umienia sprz g a, umo liwia z agodzenie obcià eƒ dynamicznych w czasie pracy uk adu nap dowego maszyny roboczej, co w konsekwencji pozytywnie wp ywa na trwa oêç i niezawodnoêç ca ej maszyny. Przedstawione w opracowaniu stanowisko badawcze i zaproponowana metodyka badawcza pozwalajà na poprawne wyznaczenie charakterystyk statycznych i innych cech spr ysto-t umiàcych grupy ró nych rodzajów sprz gie podatnych LITERATURA 1. Filipowicz K.: Dwukierunkowe metalowe sprz g a podatne skr tnie. Wydawnictwo Politechniki Âlàskiej, Gliwice Kowal A., Filipowicz K.: Metalowe sprz g a podatne skr tnie do maszyn górniczych. Monografia 154. Wydawnictwo Politechniki Âlàskiej, Gliwice KwaÊny M.: Identyfikacja wp ywu charakterystyk sprz g a podatnego na obcià enie przek adni z batej w aspekcie aplikacji w uk adzie nap dowym maszyny górniczej. Praca doktorska. Gliwice KwaÊny M., Skoç A., Filipowicz K.: Badania wp ywu sprz g a przeponowego na prac uk adu nap dowego maszyny roboczej. Biblioteka TEMAG. Vol. XX, ISBN , Gliwice Ustroƒ 2012, ss Markusik S.: Sprz g a mechaniczne. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Opasiak T.: Wp yw zmian momentu obrotowego na charakterystyk statycznà i dynamicznà sprz gie podatnych oponowych. Praca doktorska, Katowice Skoç A., Spa ek J., Markusik S.: Podstawy konstrukcji maszyn. Tom 2, WNT, Warszawa Chmurawa M.: Metody i stanowisko do wyznaczania statycznych charakterystyk sprz gie podatnych. Zeszyty Naukowe Politechniki Âlàskiej, seria: Transport, z. 34, Gliwice FENA Sp. z o.o. katalog produktów. Katowice ROK WYD. LXXIII ZESZYT 9/2014